ĐỀ TÀI: XỬ LÝ SẮT VÀ MANGAN TRONG NƯỚC NGẦM pot

Mục lục

1 Tổng quan về nước ngầm 2

2 Một số điểm khác nhau giữa nước ngầm và nước mặt 2

3 Một số quá trình cơ bản xử lý nước ngầm 3

4 Quá trình khử sắt trong nước ngầm 4

4.1 Trạng thái tồn tại của sắt 4

4.2 Các phương pháp khử sắt trong xử lý nước ngầm 4

4.2.1 Phương pháp oxy hóa 4

4.2.2 Phương pháp khử sắt bằng quá trình oxy hóa 5

4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt 14

5 Quá trình khử mangan trong nước ngầm 15

5.1 Trạng thái tồn tại của mangan trong nước ngầm 15

5.2 Các phương pháp khử mangan 15

5.2.1 Phương pháp oxy hóa 15

5.2.2 Phương pháp hóa học 16

5.2.3 Phương pháp sinh học 16

1 Tổng quan về nước ngầm

Đối với các hệ thống cấp nước cộng đồng thì nguồn nước ngầm luôn là nguồn nước được ưa thích Bởi vì, các nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải phụ thuộc vào sự biến động theo mùa Nguồn nước ngầm ít chịu ảnhhưởng bởi các tác động của con người Chất lượng nước ngầm thường tốt hơn chất lượng nước mặt nhiều Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay các hạt lơ lửng, và vi sinh, vi trùng gây bệnh thấp

2 Một số đặc điểm khác nhau giữa nước ngầm và nước mặt

Chất rắn lơ lửng Rất thấp, hầu như không có Thường cao và thay đổi theo mùa

Chất khoáng hoà tan

Ít thay đổi, cao hơn so với nước mặt

Thay đổi tuỳ thuộc chất lượng đất, lượng cao

Hàm lượng Fe2+,

Rất thấp, chỉ có khi nước ở sát dưới đáy hồ

Khí CO2 hoà tan Có nồng độ cao Rất thấp hoặc bằng 0Khí O2 hoà tan Thường không tồn tại Gần như bão hoà

Các nguồn nước ngầm hầu như không chứa rong tảo, một trong những nguyen nhân gây ô nhiễm nguồn nước Thành phần đáng quan tâm trong nước ngầm là cáctạp chất hoà tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, thời tiết, nắng mưa, các quá trình phong hoá và sinh hoá trong khu vực Ở những vùng có điều kiện phong hoá tốt, có nhiều hất bẩn v à luợng mưa lớn thì chất lượng nước ngầm dễ bị ô nhiễm bởi các chất khoáng hoà tan, các chất hữu cơ, mùn lâu ngày theo nước mưa ngấm vào đất

Ngoài ra, nước ngầm cũng có thể bị nhiễm bẩn do tác động của con người Các chất thải của con người và động vật, các chất thải sinh hoạt, chất thải hoá học, v à việc sử dụng phân bón hoá học…tất cả những loại chất thải đó theo thời gian nó sẽ ngấm vào nguồn nước, tích tụ dần và làm ô nhiễm nguồn nước ngầm Đã có khôngít nguồn nước ngầm do tác động của con người đã bị ô nhiễm bởi các hợp chất hữucơ khó phân huỷ, các vi khuẩn gây bệnh, nhất là các hoá chất độc hại như các kim loại nặng, dư lượng thuốc trừ sâu và không loại trừ cả các chất phóng xạ.

3 Một số quá trình cơ bản xử lý nước ngầm

Làm giàu Oxy để tăng thế oxy hóa khử của nước, khử các chất bẩn dạng khí hòa tan trong nước.

Clo hóa sơ bộ Oxy hóa Sắt và Mangan hòa tan ở dạng phức chất hữu cơ.

Loại trừ rong, rêu, tảo phát triển trên thành các bể trộn, tạo bong cặn và bể lắng bể lọc.

Trung hòa lượng amoniac dư, diệt tất cả các vi khuẩn tiếtra chất nhầy trên mặt các lớp lọc.

Qúa trình khuấy trôn hóa chất

Phân tán nhanh, đều phèn và các hóa chất khác vào nước cần xử lý.

Quá trình keo tụ và phản ứng tạo bông cặn

Tạo điều kiện và thực hiện quá trìh kết dính các hạt cặn, keo phân tán thành bông cặn có khả năng lắng và lọc với tốc độ kinh tế cho phép.

Quá trình lắng Loại trừ ra khỏi nước các hạt cặn và bông cặn có khả năng lắng với tốc độ kinh tế cho phép, làm giảm lượng vi

trùng và vi khuẩn.

Quá trình lọc Loại trừ các hạt cặn nhỏ không lắng được trong bể lắng, nhưng có khả năng dính kết lên bề mặt hạt lọc.

Hấp thụ và hấp phụ bằng than hoạt tính

Khử mùi, vị, màu của nước sau khi sử dụng phương phápxử lý truyền thống không đạt yêu cầu.

Flo hóa nước Nâng cao hàm lượng flo trong nước 0,6 – 0,9 mg/l để bảo vệ men răng và xương cho người dung nước.

Khử trùng nước Tiêu diệt vi khuẩn và vi trùng còn lại trong nước sau bể lọc.

Ổn định nước Khử tính xâm thực và tạo ra màng bảo vệ cách ly không cho nước tiếp xúc trực tiếp với vật liệu mặt trong thành ống dẫn để bảo vệ ống và phụ trùng trên ống.

Làm mền nước Khử ra khỏi nước các ion Ca2+ và Mg2+ đến nồng độ đạt yêu cầu.

Khử mùi Khử ra khỏi nước các cation và anion của các muối hòa tan đến nồng độ yêu cầu.

4 Quá trình khử sắt trong nước ngầm4.1 Trạng thái tồn tại của sắt

Trong nước ngầm, sắt thường tồn tại dưới dạng ion Fe2+, kết hợp với các gốc bicacbonat, sunfat, clorua; đôi khi tồn tại dưới keo của axit humic hoặc keo silic Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hoá, ion Fe2+ bị oxy hóa thành ion Fe3+và kết hợp tủa thành các bông cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ.

Các hợp chất vô cơ của ion sắt:

Sắt II: FeS, Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3), FeSO4.

Sắt III: Fe(OH)2, FeCl3 Trong đó Fe(OH)3 là chất keo tụ dễ dàng lắng độngtrong các bể lắng và bể lọc.

Các phức chất vô cơ với silicat và photphat (FeSiO(OH)33+) Các phức chất hữu cơ của ion sắt với axit humic và axit funvic…

Các ion sắt hòa tan Fe(OH)+, Fe(OH)3 tồn tại tùy vào giá trị thế oxi hóa khử và pH của môi trường.

4.2 Các phương pháp khử sắt trong quá trình xử lý nước ngầm4.2.1 Phương pháp oxy hóa

Nguyên lý của phương pháp này là oxy hóa Fe(II) thành Fe(III) và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng Fe(OH)2 Trong nước ngầm sắt bicacbonat là một muối không bền, nó dể dàng thủy phân thành Fe(OH)2 theo phản ứng:

4Fe2+ + 8HCO3- + O2 +H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+ + 8HCO3

-Nước ngầm thường không chứa oxy hòa tan hoặc có hàm lượng oxy hòa tan rất thấp, để tăng nồng độ oxy hòa tan trong nước ngầm biện pháp đơn giản nhất là làmthoáng được xác định theo nhu cầu oxy cho quá trình khử sắt.

4.2.2 Phương pháp khử sắt bằng quá trình oxy hóa

Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc

Nước cần khử sắt được làm thoáng bằng dàn phun mưa ngay trên bề mặt lọc Chiều cao dàn phun mưa thường lấy cao từ 0.7m, lỗ phun có đường kính 5 – 7mm, lưu lượng tưới vào khoảng 10m3/m2.h, lượng oxy hòa tan trong nước sau làm thoáng ở to = 25oC lấy bằng 40% lượng oxy hòa tan bảo hòa( ở 25oC lượng oxy hòatan bảo hòa là 8.1mg/l.

Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên

Nước cần làm thoáng được tưới lên giàn làm thoáng một bậc hay nhiều bậc với cácsàn rải xỉ hoặc tre gỗ Lưu lượng tưới và chiều cao tháp cũng lấy như trường hợp trên Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng là 55% lượng oxy hòa tan bảo hòa Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 50%.

Mô hình giàn mưa

Làm thoáng cưỡng bức

Cũng có thể dung tháp làm thoáng cưỡng bức với lưu lượng nước tưới từ 30 – 40 m3/h Lượng không khí tiếp xúc lấy từ 4 – 6m3 cho 1m3 nước, lượng oxy hòa tan sau làm thoáng là 70% hàm lượng oxy hòa tan bảo hòa Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 75%.

Giàn mưa trong hệ thống khử sắt4.2.3 Khử sắt bằng hóa chất

Khi trong nước ngầm có hàm lượng hợp chất hữu cơ cao, các chất hữu cơ sẽ tạo ra dạng keo bảo vệ của các ion sắt như vậy muốn khử sắt phải phá vỡ được màng hữucơ bảo vệ bằng tác dụng của các chất oxy hóa mạnh Đối với nước ngầm khi hàm lượng sắt quá cao, đồng thời tồn tại cả H2S thì lượng oxy thu được nhờ làm thoáng không đủ để oxy hóa hết H2S và Fe trong trường hợp này cần phải dùng đến hóa chất để khử sắt.

Biện pháp khử sắt bằng vôi

Khi cho vôi vào nước độ pH của nước tăng lên, ở điều kiện giàu ion OH- các ion Fe2+ thủy phân nhanh chóng thành Fe(OH)2 và lắng xống Do đó Fe(II) dễ dàng chuyển hóa thành Fe(III) Fe(OH)3 kết tụ thành bông cặn lắng trong bể lắng và có thể dể dàng tách ra khỏi nước.

Nhược điềm của phương pháp này là phải dùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh,quản lý phức tạp cho nên thường kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác như xử lý ổn dịnh nước bằng kiềm, làm mềm nước bằng vôi hay soda.

Biện pháp khử sắt bằng Clo

Được thực hiện nhờ phản ứng sau:

2Fe(HCO3)2 + Cl2 +Ca(HCO3)2 + 6H2O → 2Fe(OH)3CaCl2 + 6H+ + 6HCO3

-Biện pháp khử sắt bằng KMnO4

Khi dùng KMnO4 để khử sắt, quá trình xảy ra rất nhanh vì cặn Mangan hydroxyt vừa được hình thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử Phản ứng khử xảy ra theo phương trình sau:

5Fe2+ + MnO4- +8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

Biện pháp khử sắt bằng cách lọc qua lớp vật liệu đặc biệt

Các vật liệu đặt biệt có khả năng xúc tác đẩy nhanh quá trình oxy hóa khử Fe2+thành Fe3+ và giữ lại trong tầng lọc, quá trình này diễn ra rất nhanh chóng và có hiệu quả cao, cát đen là một trong những chất co đặt tính như thế.

Biện pháp khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được kết hợp với quá trình khử cứng khi sử dụng thiết bịtrao đổi ion để khử Fe, nước ngầm không được tiếp xúc với không khí vì Fe3+ sẽ làm giảm khả năng trao đổi của các ionic Chỉ có hiệu quả khi khử nước ngầm có hàm lượng Fe thấp.

Biện pháp khử sắt bằng phương pháp vi sinh

Một số loại vi sinh có khả năng oxy hóa Fe trong điều kiện mà quá trình oxy hóa hóa học xảy ra rất khó khăn Chúng ta cấy các mầm khuẩn Fe trong lớp cáy lọc củabể lọc, thông qua hoạt động của vi khuẩn sắt được loại ra trong nước thường sử dụng thiết bị bể lọc chậm để khử Fe.

Loại khí hòa tan (CO2, H2S…), khi loại khí hòa tan thì pH của nước tăng lên, loạibò mùi của nước (nếu có).

Hòa tan khí oxy vào nước

Có nhiều biện pháp làm thoáng, nhưng biện pháp thông dụng nhất là cho nướcchảy qua các tấm đục lỗ thành tia như mưa (giàn mưa) Khi nước bị xé nhò thànhtia như vậy thì nó tiếp xúc với không khí nhiều hơn và dễ dàng loại bỏ các khíkhông cần thiết và hòa tan oxy Cũng có các biện pháp như tháp làm thoáng,ejector, sục khí…

Phản ứng (để tạo các bông sắt kết tủa)

Bước này có thể bỏ qua nếu hàm lượng sắt tương đối nhỏ (1-2 mg/L) và độ kiềmđủ lớn (lớn hơn 50 mg CaCO3/L) Thông thường thì người ta cho nước chảy quamột ngăn có xếp các vật liệu tiếp xúc có kích thước lớn như đá, gạch … để tănghiệu quả tiếp xúc nước và oxy hòa tan Nước chảy từ dưới lên, dưới tác dụng củaoxy hòa tan sắt sẽ bị oxy hóa thành các bông cặn màu vàng nâu Thời gian phảnứng khoảng 15-30 phút.

Lắng (nếu hàm lượng sắt tương đối cao)

Trong trường hợp hàm lượng sắt cao sẽ tạo ra nhiều cặn và làm cho bể lọc mautắc Để tăng thời gian làm việc của bể lọc người ta có thể cho nước chảy qua mộtngăn lắng (vận tốc nước chảy được tính toán để sao cho các bông cặn có thể lắngđược dễ dàng) Bể lắng có thể có nhiều dạng : lắng ngang, lắng đứng, lắng ly tâm,lắng có vách nghiêng…tùy thuộc vào người thiết kế.

Lọc (loại bỏ các kết tủa sắt)

Nước sau khi lắng vẫn còn chứa một lượng đáng kể các bông cặn sắt, vì vậy cầncho qua bể lọc Thông thường sử dụng bể lọc với vật liệu lọc là cát và sỏi (đá) Lớpsỏi bên dưới bao quanh các ống thu nước, lớp cát phia bên trên (dày khoảng 0.6-0.8 m) Người ta thường chọn loại cát có kích thước hạt thô và đều (cát lọc) Khi

không có có thể dùng cát xây dựng như loại hạt to để tránh làm tắc lọc nhanh vàrửa lọc dễ dàng.

Nước đi từ trên xuống (lọc thông thường) hay từ dưới lên (lọc nổi), các cặn sắt sẽbị giữ lại trong lớp vật liệu lọc và trên bề mặt chúng Nước sau khi lọc có hàmlượng sắt đạt yêu cầu sử dụng Có nhiều loại bể lọc : lọc chậm, lọc nhanh, lọc áplực, lọc nhiều lớp, lọc nổi…

4.3 Phân loại nước ngầm

Nước có hàm lượng sắt thấp 0,4 – 10Nước có hàm lượng sắt trung bình 10 – 20Nước có hàm lượng sắt cao >20

6 Nhu cầu O2 bằng nồng độ oxy hóa +0.47 H2S+0.15 Fe2+ < 7mg/l7 pH < 7

Sơ đồ công nghệ xử lý chung

Nước ngầm được bơm lên từ giếng khoan hay giếng đào được đưa vào làm thoáng đơn giản có thể dùng máng tràn, giàn mưa, ejector thu khí hay bơm nén khí để làm thoáng nước Quá trình làm thoáng ở đây chủ yếu là cung cấp oxy cho nước Nước sau khi làm thoáng được lọc qua 1lớp vật liệu lọc.

Tiếp xúc khửtrùng

Bể lắng nước rửa lọc

Tại bể lọc Fe và oxy hòa tan sẽ được tách ra và bám trên bề mặt của các vật liệu lọc, tạo nên màng xúc tác bao gồm các ion oxy Fe2+, Fe3+ Màng xúc tác sẽ tăng cường quá trình hấp thụ và oxy hóa Fe do xảy ra trong môi trường dị thể, trong phương pháp này không đòi hỏi phải oxy hóa hoàn toàn Fe2+ thành Fe3+ và keo tụ.4.3.2 Xử lý nước ngầm có hàm lượng Fe cao ( hàm lượng Fe>10mg/l)

Công nghệ xử lý: làm thoáng – lắng hoặc lọc tiếp xúc – lọc trongĐiều kiện áp dụng:

1 Độ oxy hóa < (Fe2+/28+5) mg/l2 Tổng hàm lượng Fe > 10mg/l

3 Tổng hàm lượng muối khoáng < 1000mg/l4 Hàm lượng SiO22- < 2 mg/l

5 Hàm lượng NH4+ < 1.5mg/l6 Hàm lượng H2S< 1mg/l

7 Nhu cầu oxy = độ oxy hóa + 0.47H2S+ 0.15 Fe2+< 10mg/l

8 pH <6.8 tính toán thiết bị làm thoáng theo điều kiện khử khí CO2 nhằm tăng pH9 pH >6.8 tính toán thiết bị làm thoáng theo diều kiện lấy oxy để khử Fe

Sơ đồ công nghệ xử lý chung:

Nước ngầm được bơm lên từ giếng khoan hay giếng đào đưa vào làm thoáng bằng giàn mưa, làm thoáng cưỡng bức để làm thoáng nước quá trình làm thoáng ở đây chủ yếu là cung cấp oxy cho nước Nước sau khi làm thoáng được dẫn vào bể khuấy trộn và lắng cặn, trước khi đi vào bể nước được tiếp xúc với hóa chất có tác dụng đẩy mạnh quá trình oxy hóa Fe hòa tan thành FeII, nước từ bể lắng được dẫn qua bể lọc, bể lọc có chứa nhiều lớp vật liệu lọc Nước sạch sau khi qua bể lọc được khử trùng bằng dung dịch Clorine trước khi cung cấp cho người sử dụng.Để tránh hiện tượng tắt lọc ở bể lọc, do đó đến chu kỳ chúng ta phải tiến hành rửa lọc bằng nước (nước + khí) Cặn ờ bể lắng được đưa vào bể nén cặn

4.4 Một số thiết bị khử sắt thường được sử dụngLàm thoáng đơn giản trên bề mặt bể lọc

Tháp làm thoáng tự nhiên

Tiếp xúc và khửtrùng

clorineHóa chất

Xả cặn ra bểtiếp xúc

Nước sạch

Tháp làm thoáng cưỡng bứcBể lắng tiếp xúc

Bể lọc cặn sắt

Làm thoáng tự nhiên bằng giàn mưa

Mô hình lọc nước giếng bị nhiễm sắt4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử Sắt

Tốc độ phản ứng của quá trình oxy hóa và thủy phân Fe2+ thành Fe3+ tùy thuộc vào lượng oxy hòa tan trong nước tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ oxy hòa tan trong nước tăng lên Để oxy hóa 1 mg sắt (II) tiêu tốn 0,143 mg oxy.

Thời gian oxy hóa thủy phân Fe trên công trình phụ thuộc vào trị số pH của nước có thể lấy như sau:

Thời gian tối ưu của quá trình keo tụ:

Thời gian tiếp xúc cần thiết trong bể lắng và bể lọc (thời gian lưu nước) phút

Thời gian tiếp xúc cần thiết (thời gian lưu nước) trong bể lọc tiếp xúc (bể lọc 1) và bể lọctrong (bể lọc đợt 2) phút

Tốc độ lọc qua bể tiếp xúc có thể lấy 5-20 m/h tùy thuộc vào thời gian lưu nước cần thiết và lượng cặn cần giữ lại sao cho qua bể lọc đợt 1 làm lượng cặn còn lại điqua bể lọc trong (lọc đợt 2) < 15 mg/l.

Tốc độ lọc qua bể lọc trong lấy 3-9 m/h tùy thuộc vào chiều dày và cỡ hạt của lớp vật liệu lọc và thời gian lưu nước cần thiết.

5 Quá trình khử mangan trong nước ngầm

5.1 Trạng thái tồn tại của mangan trong nước ngầm

Mangan thường tồn tại song song với sắt trong nước ngầm

Cũng như sắt, mangan thường có trong nước ngầm dưới dạng ion Mn2+, nhưng với hàm lượng tương đối thấp, ít khi vượt quá 5mg/l Tuy nhiên, với hàm lượng

mangan trong nước lớn hơn 0,1mg/l sẽ gây nguy hại trong việc sử dụng, giống nhưtrường hợp nước chứa sắt với hàm lượng cao.

5.2 Các phương pháp khử mangan5.2.1 Phương pháp oxy hóa

Quy trình công nghệ cơ bản cũng giống như khử sắt bao gồm giàn mưa, lắng tiếp xúc và lọc Riêng phần lọc do, do phản ứng oxy hóa mangan diễn ra chậm nên lớp cát lọc phải có bề dày 1,2 – 1,5m Quy trình rửa lọc phải được lựa chọn trên cơ sở thực nghiệm chính xác, nhằm mục đích giữ lại một lớp màng Mn(OH)4 bao quanh hạt cát lọc làm màng xúc tác cho chu kỳ tiếp theo Nếu rủa sạch hạt cát lọc thì vào chu kỳ lọc sau lại cần có thời gian để tạo ra lớp màng xúc tác mới (thường từ 5 – 10 ngày) Để đạt hiệu quả cao, vật liệu lọc nên dùng cát đen (đã được phủ một lớp đioxit mangan).

5.2.2 Phương pháp hóa học

Sử dụng các chất oxy hóa mạnh như clo, ozon, KMnO4 để oxy hóa Mn2+ thành Mn4+ Clo oxy hóa Mn2+ ở pH = 7 trong 60 – 90 phút clo đoxit (ClO2) và ozon (O3) oxy hóa Mn2+ ở pH 6,5÷7 trong 10 – 15 phút.

Để oxy hóa 1mg Mn2+ cần 1,35mg ClO2 hay 1,45mg O3 Nếu trong nước có các hợp chất amoni thì quá trình oxy hóa Mn2+ bằng clo chỉ bắt đầu sau khi clo kết hợp với amoni thành cloramin và trong nước còn dư clo tự do KMnO4 oxy hóa Mn2+ ở